EP0928963A2 - Dynamisch belastbares Kreisringschergerät - Google Patents

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EP0928963A2
EP0928963A2 EP98121481A EP98121481A EP0928963A2 EP 0928963 A2 EP0928963 A2 EP 0928963A2 EP 98121481 A EP98121481 A EP 98121481A EP 98121481 A EP98121481 A EP 98121481A EP 0928963 A2 EP0928963 A2 EP 0928963A2
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    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/026—Specifications of the specimen
    • G01N2203/0284—Bulk material, e.g. powders

Definitions

  • the invention relates to a shaving device for determining the interface shear behavior between geosynthetics and loose rock.
  • a disadvantage of the known devices is that they are only for examination static processes can be used. Also allow the known circular shear test arrangements only minor Shear stress differences in the fracture plane between the outer and inner radius the circular ring sample.
  • the invention has for its object to provide a ring shear device, with which the influence of dynamic load components on the interface shear behavior between geosynthetics and loose rock can be examined and in which the radial frictional forces possible be kept low.
  • the object is achieved in that the circular ring a base plate, an outer envelope ring and an inner envelope ring, a test cover and a housing cover, being on the inner
  • the sleeve and the outer sleeve are each rotatably mounted slide rings are arranged, the heights of which are equal to one another and this height only is part of the height of the respective envelope ring.
  • the arrangement is in a frame Base frame attached.
  • a worktop 1 is attached to it the circular ring 2 with a receptacle for the material to be examined located.
  • the vertical force is generated by a hydraulically operated cylinder 4 generated, which is provided with a hydrostatic bearing to an automatic Centering the piston and ensuring frictional forces to exclude.
  • a universal joint 3 arranged to ensure full-area power transmission between the housing cover and the soil sample is between the sample cover the circular ring 2 and the piston of the cylinder 4 a universal joint 3 arranged.
  • the vertical force is determined using a load cell 5 is located between the frame 6 and the cylinder 4.
  • the circular ring 2 explained in FIGS. 2 and 3 consists of an inner enveloping ring 9 and an outer enveloping ring 10 which are fastened on the base plate 7.
  • the inner slide ring 11 and the outer slide ring 12 are inserted in the upper half of the enveloping rings 9, 10.
  • These rings are machined to fit and are lubricated with graphite or silicone oil. They taper at the bottom in order to keep the friction losses during the shearing process as low as possible. Side expansion is prevented by the precisely fitted sliding rings 11, 12. The torsional moment and the vertical load are introduced at the box lid.
  • the ratio of the ring radii has a decisive influence on the difference of the radial shear stress acting on the outer and inner edge.
  • the inner radius Ri 0.05 m. The ratio is chosen so that the installation of geosynthetics is possible.
  • Figure 4 explains the load conditions when applying the vertical load.
  • the vertical load is divided into a static and a dynamic component. Based on the specimen area, the vertical stress can also be divided into a static and a dynamic part.
  • Figure 1 shows the vertical load model.
  • the horizontal introduction of force for the system is explained in FIG. 5. It takes place via a lever arm system engaging tangentially on the housing cover 17.
  • a push rod 19 and a pull rod 20 are used for the force introduction Housing cover 17 connected. This enables free movement during the shearing process.
  • the built-in cardan joints 22 allow movements in the vertical and horizontal directions.
  • the lever arm is placed on a double-row shaft ball bearing. Between the cylinder 4 shown in Figure 1 and the housing cover 17, two additional bearings have been installed so that the test cover 14 can move freely. Another universal joint also compensates for increases and decreases in the specimen.
  • the feed required for the experiment is realized by the feed device 23, which is actuated by a speed-controlled motor.
  • the measurement value acquisition is carried out in such a way that the feed force, the feed path, the vertical acceleration, the path of the housing path, the vertical path and the vertical force of the cylinder are recorded and can be called up at any time.
  • Measured value monitoring, calculation and evaluation are also carried out in real time for the dynamic examination sets.
  • the control of the vertical force and the feed are independent of the measured value acquisition.
  • the shaving device according to the invention makes it possible to apply a dynamic load component to the static vertical load. It can also be used to investigate breaking shear strengths at different frequencies.

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Abstract

Schergerät zur Bestimmung des Grenzflächenscherverhaltens zwischen Geokunststoffen und Lockergestein, bei dem in einer als Kreisring (2) ausgebildeten Anordnung sich eine Probe von einem Bodenkörper befindet, auf dem eine Vertikallast und ein Torsionsmoment aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisring (2) aus einer Grundplatte (7), einem äußeren Hüllring (10) und einem inneren Hüllring (9), einem Probedeckel (14) und einem Gehäusedeckel (17) besteht, wobei an dem inneren Hüllring (9) und dem äußeren Hüllring (10) jeweils drehbar gelagerte Gleitringe (11,12) angeordnet sind, dessen Höhen untereinander gleich sind und diese Höhe nur einen Teil der Höhe des jeweiligen Hüllringes (9,10) beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schergerät zur Bestimmung des Grenzflächenscherverhaltens zwischen Geokunststoffen und Lockergestein.
In der Bodenmechanik sind zur Untersuchung des Grenzflächenverhaltens zwischen Lockergestein und Geokunststoffen werden die maßgebenden Parameter mit Hilfe von Scherversuchen bestimmt.
Für diese Untersuchungen werden üblicherweise Kastenschergeräte mit Seitenabmaßen von 300 mm x 300 mm verwendet. Daneben sind für spezielle Aufgaben auch Kreisringapparaturen im Einsatz.
Zur Ermittlung des Reibungsverhaltens zwischen Geokunststoffen und Boden sind ferner Ausziehversuche üblich.
Bei den Kreisringapparaturen wird auf einer als kreisförmiger Bodenkörper ausgebildeten Probe eine Vertikallast und ein Torsionsmoment aufgebracht. Infolge des Torsionsmomentes wird in der Probe eine Schubspannung induziert. Dabei werden die seitlichen Verschiebungen in radialer Richtung behindert.
Bei den bekannten Einrichtungen ist nachteilig daß diese nur zur Untersuchung statischer Vorgänge verwendet werden können. Ferner ermöglichen die bekannten Kreisringscherversuchsanordnungen nur geringe Schubspannungsdifferenzen in der Bruchebene zwischen Außen- und Innenradius der Kreisringprobe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kreisringschergerät anzugeben, mit dem der Einfluß von dynamischen Lastkomponenten auf das Grenzflächenscherverhalten zwischen Geokunststoffen und Lockergestein untersucht werden kann und bei dem die radialen Reibungskräfte möglichst gering gehalten werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kreisring aus einer Grundplatte, einem äußeren Hüllring und einem inneren Hüllring, einem Probedeckel und einem Gehäusedeckel besteht, wobei an dem inneren Hüllring und dem äußeren Hüllring jeweils drehbar gelagerte Gleitringe angeordnet sind, dessen Höhen untereinander gleich sind und diese Höhe nur einen Teil der Höhe des jeweiligen Hüllringes beträgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Versuchsstand ermöglicht mit einem einfachen Versuchsaufbau und mit leicht reproduzierbaren Randbedingungen Untersuchungen mit folgenden Einsatzbedingungen:
  • Variation der Vertikalspannungen in bauwerkstypischen Bereichen (δv,stat = 0 ... 300 kPa),
  • dyanamische Lastkomponente der Vertikalspannungen in einer Größenordnung (δv,dyn = 0 ...300 kPa),
  • Beprobung mit handelsüblichen Standardmineralgemischen,
  • Beprobung von Geokunststoffen - Vlies, Gewebe,
  • neben sinusförmigen dynamische Lasten können beliebige Last-Zeit-Verläufe gefahren werden können,
  • Arbeitsfrequenzbereich f = 0 ... 100 Hz.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • Figur 1 eine Schnittdarstellung der Gesamtanordnung,
  • Figur 2 einen Schnitt durch den Kreisringbereich,
  • Figur 3 ein Kreisringdetail mit Innen- und Außenring,
  • Figur 4 ein Diagramm für einen vertikalen Belastungsfall und
  • Figur 5 die Einrichtung für die Horizontalkrafteinleitung.
    • Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die Anordnung in einem rahmenförmigen Grundgestell angebracht. Daran ist eine Arbeitsplatte 1 befestigt, auf der sich der Kreisring 2 mit einer Aufnahme für das zu untersuchende Material befindet. Die Vertikalkraft wird von einem hydraulisch betätigten Zylinder 4 erzeugt, der mit einer hydrostatischen Lagerung versehen ist, um eine selbsttätige Zentrierung des Kolbens zu gewährleisten und um Reibungskräfte auszuschließen. Zur Gewährleistung einer vollflächigen Kraftübertragung zwischen Gehäusedeckel und Bodenprobe ist zwischen dem Probendeckel des Kreisringes 2 und dem Kolben des Zylinders 4 ein Kardangelenk 3 angeordnet. Die Vertikalkraft wird mit einer Kraftmeßdose 5 ermittelt, die sich zwischen dem Rahmen 6 und dem Zylinder 4 befindet.
    Der in den Figuren 2 und 3 erläuterte Kreisring 2 besteht aus einem inneren Hüllring 9 und einem äußeren Hüllring 10, die auf der Grundplatte 7 befestigt sind. In der oberen Hälfte der Hüllringe 9,10, sind der innere Gleitring 11 und der äußere Gleitring 12 eingesetzt. Diese Ringe sind paßgenau bearbeitet und werden mit Graphit bzw. Silikonöl geschmiert. An der Unterseite laufen sie konisch zu, um die Reibungsverluste während des Schervorganges so gering wie möglich zu halten. Eine Seitendehnung wird durch die genau eingepaßten Gleitringe 11,12 verhindert. Das Torsionsmoment und die Vertikallast werden am Kastendeckel eingeleitet. damit wird erreicht, daß sich beim Einleiten des Torsionsmomentes eine Zwangsgleitebene in der halben Probenhöhe, nämlich an der Eben, die durch die Übergangsstellen der Hüllringe 9, 10 zu den Gleitringen 11, 12 bestimmt wird.
    Das Verhältnis der Kreisringradien hat einen maßgebenden Einfluß auf die Differenz der am äußeren und inneren Rand wirkenden Radialschubspannung. Der für den Versuchsstand vorgesehene Kreisringaußenradius beträgt Ra = 0,10 m, der Innenradius Ri = 0,05 m. Das Verhältnis ist so gewählt, daß der Einbau von Geokunststoffen ermöglicht wird.
    Um Versuchsreihen nicht nur mit trockenen Proben, sondern auch mit teil- bzw. gesättigten Probematerial durchführen zu können, ist eine ausreichende Entwässerung nach oben und nach unten erforderlich. Hierzu sind in der Grundplatte 7 und in dem Probedeckel 14 Filtersteine 13 angebracht. Die Filtersteine 13 sind mit jeweils im Probedeckel 14 und in der Grundplatte 7 angeordneten Ringkanälen verbunden. Aus den Ringkanälen führt eine Entwässerungsöffnung 15 an die Gerätewandung. Der Probedeckel 14 und die Grundplatte 7 sind mit Gummirundringen 16 abgedichtet um das Eindringen der Feuchtigkeit zu verhindern. Auf dem Probendeckel 14 ist mit Gewindestiften 18 ein Gehäusedeckel 17 befestigt. In der Grundplatte 7 und dem Probedeckel 14 befinden sich verstellbare Gewindestifte 18, die zur Kraftübertragung dienen. Auf diese Weise wird die Schubkraftübertragung zwischen dem Gehäuse und der Bodenprobe wirkungsvoll unterstützt. Je nach Korngröße und Bodenart können diese Gewindestifte 18 verlängert, verkürzt oder durch andere Elemente z.B. Scherflügel ersetzt werden.
    Figur 4 erläutert die Lastverhältnisse beim Aufbringen der Vertikallast. Die Vertikallast gliedert sich in eine statische und eine dynamische Komponente. Bezogen auf die Probekörperfläche läßt sich damit auch die Vertikalspannung in einen statischen und einen dynamischen Teil untergliedern. Es ist möglich neben sinusförmigen Überlagerungen beliebige Last-Zeit-Verläufe mit der statischen Grundbelastung zu kombinieren. Abbildung 1 zeigt das vertikale Belastungsmodell.
    Die horizontale Krafteinleitung für das System wird in Figur 5 erläutert. Sie erfolgt über ein tangential an dem Gehäusedeckel 17 eingreifendes Hebelarmsystem. Um Querkräfte bei der Krafteinleitung auszuschließen, dienen zur Krafteinleitung eine Druckstange 19 und eine Zugstange 20. Die Druckumlenkung erfolgt im Auflagerungsbereich des Hebelarmes 21. Die Druckstange 19 und die Zugstange 20 sind an den Kopfenden jeweils mit Kardangelenken 22 an den Hebelarm 21 bzw. an den Gehäusedeckel 17 angeschlossen. Damit wird eine freie Bewegung während des Schervorganges ermöglicht. Die eingebauten Kardangelenke 22 erlauben Bewegungen in vertikaler und horizontaler Richtung. Damit werden die sich zwangsläufig infolge der Kreisbewegung ergebenden Lageänderung wirkungsvoll kompensiert. Zur Ausschaltung von Nebeneinflüssen auf die über das Hebelarmsystem 21 aufzubringende Vorschubkraft infolge Reibung ist der Hebelarm auf einem zweireihigen Wellenkugellager aufgesetzt. Zwischen dem in Figur 1 dargestellten Zylinder 4 und dem Gehäusedeckel 17 sind zwei zusätzliche Lager eingebaut worden, damit sich der Probedeckel 14 frei bewegen kann. Ebenfalls ein weiteres Kardangelenk schafft einen Ausgleich für Hebungen und Senkungen des Probenkörpers. Der für den Versuch erforderliche Vorschub wird über durch die Vorschubeinrichtung 23, die von einem drehzahlgesteuerten Motor betätigt wird, realisiert.
    Die hier nicht dargestellte Meßwerterfassung erfolgt in der Weise, daß die Vorschubkraft, der Vorschubweg, die Beschleunigung vertikal, der Weg des Gehäuseweges, der Vertikalweg und die Vertikalkraft des Zylinders erfaßt und jederzeit abrufbar sind. Die Meßwertüberwachung, Berechnung und Auswertung erfolgt auch für die dynamischen Untersuchengen in Echtzeit. Die Steuerung der Vertikalkraft und des Vorschubes erfolgen unabhängig von der Meßwerterfassung.
    Das erfindungsgemäße Schergerät ermöglicht es, auf die statische Vertikallast einen dynamischen Lastanteil aufzubringen. Damit können auch Bruchscherfestigkeiten bei verschiedenen Frequenzen untersucht werden.
    Bezugszeichenliste
    1
    Arbeitsplatte
    2
    Kreisring
    3
    Kardangelenk
    4
    Zylinder
    5
    Kraftmeßdose
    6
    Rahmen
    7
    Grundplatte
    8
    Probenkörper
    9
    innerer Hüllring
    10
    äußerer Hüllring
    11
    innerer Gleitring
    12
    äußerer Gleitring
    13
    Filterstein
    14
    Probedeckel
    15
    Entwässerungsöffnung
    16
    Gummirundring
    17
    Gehäusedeckel
    18
    Gewindestift
    19
    Druckstange
    20
    Zugstange
    21
    Hebelarm
    22
    Kardangelenk
    23
    Vorschubeinrichtung

    Claims (3)

    1. Schergerät zur Bestimmung des Grenzflächenscherverhaltens zwischen Geokunststoffen und Lockergestein, bei dem in einer als Kreisring (2) ausgebildeten Anordnung sich eine Probe von einem Bodenkörper befindet, auf dem eine Vertikallast und ein Torsionsmoment aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisring (2) aus einer Grundplatte (7), einem äußeren Hüllring (10) und einem inneren Hüllring (9), einem Probedeckel (14) und einem Gehäusedeckel (17) besteht, wobei an dem inneren Hüllring (9) und dem äußeren Hüllring (10) jeweils drehbar gelagerte Gleitringe (11, 12) angeordnet sind, dessen Höhen untereinander gleich sind und diese Höhe nur einen Teil der Höhe des jeweiligen Hüllringes (9,10) beträgt.
    2. Schergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Grundplatte (7) und in dem Probedeckel (14) verstellbare Gewindestifte (18) oder Flügel angeordnet sind, die in den zu untersuchenden Probenkörper (8) hineinragen.
    3. Schergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusedeckel (17) über eine Druckstange (19) und eine Zugstange (20), die diametral angeordnet sind, mit einem der Horizontalkrafteinleitung dienendem Hebelarmsystem (21) verbunden sind, wobei jeweils Kardangelenke (22) zwischen den Enden der Druckstange (19) und der Zugstange (20) sowie dem Gehäusedeckel (17) bzw. dem Hebelarmsystem (21) angeordnet sind.
    EP98121481A 1997-11-12 1998-11-12 Dynamisch belastbares Kreisringschergerät Expired - Lifetime EP0928963B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

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    DE29720058U DE29720058U1 (de) 1997-11-12 1997-11-12 Dynamisch belastbares Kreisringschergerät
    DE29720058U 1997-11-12

    Publications (3)

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    EP0928963A2 true EP0928963A2 (de) 1999-07-14
    EP0928963A3 EP0928963A3 (de) 2002-01-23
    EP0928963B1 EP0928963B1 (de) 2008-06-25

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    EP (1) EP0928963B1 (de)
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